DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Rešitve za oskrbo z električno energijo brez priključitve na omrežje, ki temeljijo na fotovoltaičnih (PV) panelih z uporabo sledenja točke največje moči (MPPT), postajajo vse bolj priljubljene, saj uporabniki vse pogosteje prehajajo na alternativne vire energije.
Vendar je namestitev in konfiguracija teh sistemov zapletena. Kombinacija različnih možnosti zahteva več inverterjev in polnilnikov, kar povečuje stroške.
Razvijalci lahko zdaj poenostavijo in zmanjšajo stroške napajanja izven omrežja ter polnjenja baterij z uporabo ene same integrirane enote za AC/DC polnjenje, pretvorbo DC/AC in AC-obvodne enote.
V tem članku je na kratko predstavljena uporaba električne energije v sistemih brez priključitve na omrežje ter zapletenost polnjenja s pomočjo fotovoltaičnih panelov in MPPT regulatorjev. Nato so predstavljene integrirane enote podjetja MEAN WELL [1], da se prikaže, kako lahko poenostavijo namestitev in delovanje ter hkrati zmanjšajo stroške. Na primeru uporabe v gospodinjstvu so prikazane prednosti uporabe integriranega izdelka.
Kaj je avtonomna napajalna rešitev (off-grid)?
Oskrba z električno energijo brez priključitve na omrežje postaja vse bolj priljubljena, saj se je tehnologija razvila do te mere, da so ti sistemi zanesljivi, energijsko in stroškovno učinkoviti, kar uporabnikom omogoča, da postanejo neodvisni od energetskih podjetij.
Kot že samo ime pove, se energija izven omrežja pridobiva iz virov, ki niso del javnega omrežja, običajno iz fotovoltaičnih panelov, ki sončno svetlobo pretvarjajo v električno energijo. Možna je tudi vetrna energija.
Za popolno avtonomijo omrežja sistemi, ki delujejo neodvisno od omrežja, zahtevajo več ključnih komponent:
Fotovoltaični paneli: za pretvorbo sončne svetlobe v enosmerno napetost
Zunanji solarni MPPT polnilnik: za optimizacijo pretoka energije v akumulatorje in s tem za čim večje shranjevanje energije
Baterije: za shranjevanje energije, ki jo proizvajajo fotovoltaični paneli
DC/AC pretvornik: za pretvorbo energije iz akumulatorja v izmeničnonapetost, potrebne za gospodinjske aparate
Čeprav si mnogi uporabniki prizadevajo za popolno energetsko avtonomijo, se zavedajo, da fotovoltaični paneli morda ne bodo vedno proizvajali dovolj energije za vse njihove gospodinjske naprave, zato se bodo razumno zavarovali s priključitvijo na javno omrežje. Izmeničnanapetost iz omrežja se pretvori v enosmerno, da se napolni baterija (slika 1).
Avtonomni sistem, ki ni priključen na omrežje, je praktičen, vendar ga ni enostavno vzpostaviti. Nastavitev in vzdrževanje zahtevata pozornost, dodatna napajalna povezava za polnjenje baterij pa še poveča zapletenost sistema. Če predpostavimo, da so fotovoltaični paneli nameščeni v optimalnem položaju in pod najboljšim kotom ter da imajo baterije zadostno zmogljivost za shranjevanje dovolj energije za napajanje stanovanja v urah z omejenim ali ničelnim sončnim sevanjem, so zunanji sončni MPPT polnilnik, polnilnik AC/DC, pretvornik DC/AC in AC-obvod ključni elementi, ki določajo učinkovitost sistema.
Ena od nalog inverterja je pretvorba enosmerne napetosti, pridobljene iz sistema, ki ga sestavljajo fotovoltaični paneli in baterije, v izhodno napetost 230 voltov/50 hercev (Hz). Izdelek, kot je inverter MEAN WELL ISI-501-212B [2], sprejema 12-voltno enosmerno (VDC) vhodno napetost, hkrati pa zagotavlja izhodno moč 450 vatov s pravo sinusno valovno obliko, s skupnim harmoničnim popačenjem (THD) <3 % in regulacijo izmenične napetosti ±3 %.
V konfiguraciji, prikazani na sliki 1, inverter deluje kot MPPT polnilnik, vključno s polnilnimi karakteristikami konstantnega toka in konstantne napetosti, ki jih zahtevajo svinčene baterije. Naprava MEAN WELL zagotavlja polnilni tok do 30 amperov (A) z MPPT napetostnim razponom od 25 do 50 voltov za polnjenje odprtih ali zaprtih svinčenih baterij.
Kaj je MPPT?
MPPT se uporablja pri spremenljivih virih energije, kot so fotovoltaični paneli, za doseganje čim večjega izkoristka energije ob spreminjajočih se pogojih. MPPT rešuje izzive, ki izhajajo iz dejstva, da se učinkovitost prenosa energije iz fotovoltaične celice spreminja glede na sončni tok, senčenje, temperaturo fotovoltaičnega panela in električne lastnosti obremenitve. Ko se ti pogoji spreminjajo, se spreminja tudi karakteristika obremenitve (impedanca), ki omogoča največji prenos moči. Sistem je optimiziran, ko karakteristika obremenitve ohranja prenos moči z najvišjo učinkovitostjo, kar je točka največje moči (MPP). MPPT je postopek prilagajanja karakteristike obremenitve glede na spreminjajoče se pogoje, da se doseže MPP.
Večina sodobnih MPPT naprav zagotavlja izkoristek pretvorbe med 93 in 97 %. Naprava MEAN WELL ISI-501-212B ponuja tipični izkoristek pretvorbe 98 %.
Izhodna napetost iz MPPT polnilnika ISI-501-212B se uporablja za polnjenje baterij avtonomnega elektroenergetskega sistema z izkoriščanjem izhodne moči fotovoltaičnih panelov. To poteka po določenem profilu polnjenja s konstantnim tokom in konstantno napetostjo, ki uporablja tehnologijo MPPT za zagotovitev največje zmogljivosti baterije in povečanje števila ciklov polnjenja baterije (slika 2). V fazi vzdrževanja se baterija ohranja na skoraj polni ravni napolnjenosti, da se prepreči samopraznjenje.
Pomen izmeničnih napetosti s čisto sinusno valovno obliko.
Čeprav je MPPT polnilnik model ISI-501-212B ključnega pomena, je le en del avtonomnega napajalnega sistema. Na primer, za pretvorbo napetosti iz svinčevih ali litij-ionskih (Li-ion) baterij v izmenično napetost, ki jo zahtevajo gospodinjski aparati, je potrebna pretvorba iz enosmerne v izmenično napetost. Ti aparati morajo biti napajani z izmenično napetostjo s čisto sinusno valovno obliko, da se izognejo električnim težavam, kot je korekcija faktorja moči.
Za to DC/AC pretvornik uporablja vezje H-mosta in krmilna vezja, kot je pulzno širinska modulacija (PWM). Kombinacija H-mosta in PWM ustvari povprečno napetost, ki se približuje sinusnemu valu.
PWM običajno krmili en ali več mikrokontrolerjev (MCU), pri čemer se spreminja širina impulzov, da se ustvari povprečna napetost, ki tvori približno sinusnoobliko. Dodatno zmanjšanje harmoničnih popačenj je mogoče doseči s filtriranjem s tuljavo in kondenzatorjem (LC), ki izgladi potek valovne oblike in ustvari čistejši sinusni signal.
Na primer, stalno delujoč inverter NTN-5K-248 [3] podjetja MEAN WELL uporablja mikrokontrolerje za generiranje prave sinusne valovne oblike s THD <3 % (slika 3).
Ena velikost za vse
Z uporabo fotovoltaičnih panelov, inverterja MEAN WELL ISI-501-212B in stalno delujočim inverterjem NTN-5K-248 lahko projektanti zgradijo popoln sistem, ki deluje neodvisno od omrežja, vendar stalno delujoč inverter ponuja še več. V okviru enega samega izdelka lahko razvijalec zagotovi polnjenje baterij iz izmenične v enosmerno napetost (AC/DC), pretvorbo iz enosmerne v izmenično napetost (DC/AC) za napajanje naprav ter enoto za obvoz izmenične napetosti (angl. AC bypass).
NTN-5K-248 zahteva 48-voltni vhod in proizvaja 230 V izhodno izmenično napetost (VAC). Zagotavlja neprekinjeno moč 5000 vatov z največjim izkoristkom 93 %. Je del serije MEAN WELL NTN-5K [4], ki obsega več različic. Na primer, NTN-5K-230 [5] je izjemno zanesljiv pretvornik brez omrežja, ki pretvarja enosmerno v izmenično napetost s pravo sinusno valovno obliko, ima vgrajen polnilnik izmenične napetosti in funkcijo UPS (obvod za izmenično napetost). Med njegove ključne značilnosti spadajo digitalna zasnova z upravljanjem prek mikrokontrolerja, poenostavljeno krmilno vezje, ki se hitro odziva na spremembe v okolju in izboljšuje zanesljivost, visokokakovosten ventilator z nizko hrupnostjo, neprekinjena izhodna moč 5000 vatov ter izhodna napetost 230 VAC pri vhodni napetosti 380 VDC. Največji izkoristek znaša 94,5 % (slika 4).
Serija NTN-5K je primerna za uporabo v stanovanjskih in poslovnih objektih, v pomorskem in avtomobilskem sektorju, v rudnikih, na gradbiščih ter na oddaljenih območjih brez dostopa do omrežnega napajanja (slika 5). Serija ima vgrajeno aktivno funkcijo porazdelitve toka, pri čemer je mogoče vzporedno priključiti do 6 enot, da se zagotovi večja izhodna moč izmenične napetosti.
Zaključek
Sistemi za oskrbo z električno energijo brez priključitve na omrežje so privlačni zaradi neodvisnosti, ki jo ponujajo. Vendar je namestitev in konfiguracija takšnih sistemov zapletena. Neprekinjen delujoč inverter podjetja MEAN WELL je poenostavil in zmanjšal stroške oskrbe z električno energijo brez priključitve na omrežje ter polnjenja baterij z uporabo integrirane enote za polnjenje AC/DC, pretvorbo DC/AC in AC-obvoda. Primer tega je serija polnilnikov/inverterjev NTN-5K, ki opravljajo funkcije, potrebne za oskrbo gospodinjstev z električno energijo brez priključitve na omrežje in polnjenje baterij.
Viri:
1: https://www.digikey.com/en/supplier-centers/mean-well
- https://www.digikey.com/en/products/detail/mean-well-usa-inc/ISI-501-212B/7704701
3: https://www.digikey.com/en/products/detail/mean-well-usa-inc/NTN-5K-248/24390024
4: https://www.digikey.com/en/product-highlight/m/mean-well/ntn-5k-series-chargers-inverters
5: https://www.digikey.com/en/products/detail/mean-well-usa-inc/NTN-5K-2380/24390025